Физические основы информационных технологий. Глава 4. Физические основы отображения и передачи информации

1. Физические основы информационных технологий

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ИНФОРМАЦИОННЫХ
ТЕХНОЛОГИЙ

2. Глава 4. Физические основы отображения и передачи информации

ГЛАВА 4. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОТОБРАЖЕНИЯ И
ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ
4.1. Физические процессы в системах отображения
информации
4.2. Физический принцип работы LCD (ЖК)-дисплеев
4.3. Физический принцип работы OLED- и LEP-дисплеев
4.4. Физический принцип работы плазменного
(газоразрядного) PDP-монитора
4.5. Перспективные технологии дисплеев
4.6. Физические особенности волоконно-оптических линий
связи

3. 4.1. Физические процессы в системах отображения информации

4.1. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В СИСТЕМАХ
ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ
По типу используемых элементов все средства
отображения делятся на:
■ электронно-лучевые;
■ светодиодные;
■ электролюминесцентные;
■ жидкокристаллические;
■ плазменные;
■ на лампах накаливания.
В первую очередь, конечно, речь идет о мониторах
(дисплеях).

4.

Причиной
свечения многих мониторов, экранов,
панелей
является
люминесценция.
Некоторые
вещества обладают способностью испускать свет при
подведении к ним энергии, т.е. при возбуждении. В
отличие от теплового излучения, люминесценция
наблюдается при любых температурах. Ее часто
называют холодным свечением.
Вещества, способные к люминесценции, называются
люминофорами.
Природные явления люминесценции – северное сияние,
свечение некоторых насекомых, минералов, гниющего
дерева – были известны с очень давних времен.
Источниками люминесценции являются электронновозбужденные атомы.

5.

По способам возбуждения различают:
■ фотолюминесценцию (возбуждение светом);
■ электролюминесценцию (возбуждение электрическим
полем);
■ катодолюминесценцию (свечение под действием
ударов электронов) и др.
Люминесцирующие вещества являются активной
средой лазеров. Катодолюминесценция лежит в
основе свечения экранов осциллографов, мониторов,
телевизоров,
локаторов
и
т.д.
Многие
полупроводниковые светодиоды основаны на явлении
электролюминесценции;
в
настоящее
время
изготавливаются электролюминесцентные панели,
которые широко используются в рекламе для
подсветки изображения, нанесенного на прозрачную
пленку.

6. 4.2. Физический принцип работы LCD (ЖК)-дисплеев

4.2. ФИЗИЧЕСКИЙ ПРИНЦИП РАБОТЫ LCD
(ЖК)-ДИСПЛЕЕВ
Для
создания LCD-дисплеев (Liquid Crystal Display)
чаще всего используют нематические жидкие
кристаллы. Существуют технологии STN (supertwister
nematics – суперперекрученные нематики) и TFT
(Thin Film Transistor – тонкопленочный транзистор),
при
которых
каждый
пиксель
управляется
индивидуальным полевым транзистором, затвор
которого соединен с тонкопленочным конденсатором.
Работа
ЖК-мониторов
основана
на
явлении
поляризации светового потока.

7.

8.

9. 4.3. Физический принцип работы OLED- и LEP-дисплеев

4.3. ФИЗИЧЕСКИЙ ПРИНЦИП РАБОТЫ OLEDИ LEP-ДИСПЛЕЕВ
OLED
(Organic Light Emitting Diode) и LEP (Light
Emitting Polymer) – излучающие электронные
дисплеи на базе люминесцирующих материалов. В
OLED-дисплеях используются светодиоды на основе
органических материалов, а в LEP-дисплеях –
светоизлучающие полимеры.
Главная
особенность OLED- и LEP-мониторов
состоит в том, что им не требуется лампа подсветки.
Они сами излучают свет под воздействием
электрического поля.

10.

11.

Схема устройства OLED-дисплея

12.

LEP-дисплеи обладают некоторыми преимуществами по
сравнению с ЖК-дисплеями.
Во-первых, можно создавать пластиковые мониторы
практически с любым разрешением, так как не
составляет
большого
труда
делать
зерна
миниатюрных размеров;
во-вторых, LEP-монитор обеспечивает 180-градусный
угол обзора;
в-третьих, устройство LEP-дисплеев намного проще,
чем ЖК-дисплеев. При этом они могут работать от
меньшего напряжения, обладают низким уровнем
энергопотребления и выделяют незначительное
количество тепла.
Пожалуй, единственным их недостатком является
низкий срок службы.

13. 4.4. Физический принцип работы плазменного (газоразрядного) PDP-монитора

4.4. ФИЗИЧЕСКИЙ ПРИНЦИП РАБОТЫ
ПЛАЗМЕННОГО (ГАЗОРАЗРЯДНОГО) PDP-МОНИТОРА
Плазма (от греч. plásma – вылепленное, оформленное)
– частично или полностью ионизованный газ, в
котором плотности положительных и отрицательных
зарядов практически одинаковы.
Носителями заряда в плазме являются электроны и
ионы, образовавшиеся в результате ионизации газа.

14.

Основные свойства плазмы:
1. Частицы плазмы взаимодействуют друг с другом
силами притяжения и отталкивания, убывающими с
расстоянием
гораздо
медленнее,
чем
силы
взаимодействия нейтральных частиц. Поэтому
одновременно взаимодействуют друг с другом не две,
а большее число частиц.
2. На плазму оказывают сильное воздействие
электрические и магнитные поля (хотя на
нейтральные газы они практически не действуют) и
в плазме появляются объемные заряды и токи.
Эти свойства позволяют рассматривать плазму как
особое, четвертое состояние вещества.

15.

Основу плазменной панели составляет матрица
газонаполненных ячеек, заключенных между двумя
параллельными стеклянными пластинами.
На передней пластине размещены прозрачные
электроды.
Пространство
между
пластинами
заполнено инертным газом, находящимся под
пониженным давлением.
Стенки ячеек покрыты
люминофорами трех
Основных цветов –
красного, зеленого,
синего.

16.

На
питающий
и
управляющий
электроды,
ортогональные друг другу, в точке пересечения
которых находится нужный пиксель, подается
высокое напряжение прямоугольной формы. Газ в
ячейке отдает большую часть своих валентных
электронов и переходит в состояние плазмы. Ионы и
электроны попеременно собираются у электродов по
разные стороны камеры, в зависимости от фазы
управляющего напряжения. Между прозрачными
электродами возникает плазменный разряд. При этом
генерируется ультрафиолетовое излучение, которое
заставляет люминофор светиться соответствующим
цветом. Главными недостатками такого типа
мониторов является высокая потребляемая мощность
и низкая разрешающая способность, обусловленная
большим размером элемента изображения.

17. 4.5. Перспективные технологии дисплеев

4.5. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ДИСПЛЕЕВ
Новой
ступенью развития дисплеев на базе
электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) является группа из
трех родственных технологий – FED (Field Emission
Display), SED (Surface-conduction Electronemitter
Display) и NED (Nanotube Emissive Display). Такие
дисплеи называют мониторами с полевой эмиссией,
или плоскими ЭЛТ.
Как и в случае ЭЛТ, изображение на экранах этих
дисплеев формируется за счет свечения люминофора,
возбуждаемого потоком электронов. Правда, в
отличие от ЭЛТ, оснащенной тремя электронными
пушками, в FED-мониторе используется множество
маленьких источников электронов, расположенных за
каждым элементом экрана.

18.

В
SED-дисплеях применяются малогабаритные
источники
электронов
(молибденовые
конусы
диаметром всего около 200 нм), массивы которых
расположены в каждой из ячеек экрана. В NED
устройствах в качестве источников электронов
используются углеродные нанотрубки.

19. 4.6. Физические особенности волоконно-оптических линий связи

4.6. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ВОЛОКОННООПТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ СВЯЗИ
Кроме традиционных сетей, для передачи информации
применяют волоконно-оптические линии связи.
Волоконно-оптическая связь – это вид связи, при
которой информация передается по оптическим
диэлектрическим
волноводам,
известным
под
названием «оптическое волокно».
Оптоволоконная связь позволяет передавать цифровую
информацию на большие расстояния и с более
высокой скоростью передачи данных, чем в
электронных средствах связи.
Волоконно-оптические линии
обладают огромной пропускной
способностью.

20.

Строение оптоволокна.
Оптическое волокно состоит из сердцевины 1, оболочки 2
и нескольких защитных покрытий 3, 4
Сердцевина и оболочка изготавливаются из стекла или
пластика. Наиболее часто используется оптоволокно
типа «стекло–стекло». Но стекло должно иметь
меньший
показатель
преломления,
чем
для
сердцевины. Это делается для того, чтобы при
прохождении по волокну лазерного луча возникало
явление полного внутреннего отражения.

21.

Полное внутреннее отражение наблюдается при
переходе света из оптически более плотной среды в
оптически менее плотную среду, т.е. при отражении
света от оболочки.
В
зависимости
от
распределения
показателя
преломления n и от величины диаметра сердцевины
оптоволокно подразделяется на одномодовое и
многомодовое. Понятие «мода» связано с характером
распространения электромагнитных волн.
Мода − это одна из возможных траекторий, по которой
может распространяться свет в волокне.

22.

Стандартное одномодовое оптическое волокно – это
волокно, диаметр сердцевины которого сравним с
длиной световой волны и составляет 8–10 мкм, а
диаметр оболочки – 125 мкм. Одномодовые волокна
обладают лучшими характеристиками по затуханию и
по
полосе
пропускания,
так
как
в
них
распространяется только один луч.

23.

В многомодовом градиентном оптоволокне диаметр
сердцевины составляет 50 мкм и 62,5 мкм, диаметр
оболочки – 125 мкм. Такое оптоволокно применяется
во внутриобъектовых линиях длиной до 5км, со
скоростями передачи до 100 Мбайт/c на длинах волн
0,85мкм и 1,35мкм. Ступенчатое волокно не может
использоваться в сетях, где планируется передача
данных на высоких скоростях, поскольку оно имеет
постоянный коэффициент преломления по всему
сечению сердечника и вызывает большое модовое
рассеивание. Луч, направленный параллельно оси
световода, проходит меньшее расстояние, чем луч,
распространяющийся по траектории ломаной за счет
эффекта отражения. Эти лучи достигнут конца
сердечника в разные моменты времени. Такое
явление получило название межмодовой дисперсии.

24.

Межмодовая дисперсия − расширение светового
импульса при распространении в волокне, связанное с
различием времени распространения его компонент.
Чем больше длина оптоволокна, тем больше разброс по
времени прибытия, тем меньше полоса пропускания.
Физические свойства оптоволокна:
■ устойчивость к электромагнитным и радиочастотным
помехам;
■ не проводит ультрафиолетовые и инфракрасные лучи, т.е.
независимо от яркости свечения свет остается холодным;
■ широкий диапазон рабочих температур (от –40 до +80 °С);
■ влагоустойчивость;
■ пожаробезопасность;
■ герметичность;
■ большая механическая прочность;
■ гибкость, удобство размещения в труднодоступных местах.